CN103595683B - 多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿系统及方法，该系统中的通信设备包括一个信号发射装置和一个信号接收装置，所述的信号接收装置由依次连接的载波频率分离器、载波频率误差估算和补偿、解扩单元和数据解调器、解码器组成；所述信号发射装置中的扩频调制单元先将编码器编码后的数据进行扩频调制，再由载波调制单元将扩频的信号做满足正交条件的多载波调制并经无线信道发送至信号接收装置；所述信号接收装置中对接收的信号依次由载波频率分离器对接收的各子载波做频率分离，再经过载波频率误差估算和补偿，由解扩单元解扩，然后由数据解调器将信号解调，最后由解码器解码获得数据。本发明具有较高的适应性和低复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及无线多载波扩频通信系统，特别是涉及载波频率误差的估算和补偿。
背景技术
无线信道具有频率选择性衰减的特性和受多路径效应影响，在现有的无线通信技术中，为了克服上述问题，主要采用多载波调制技术，即正交频分复用技术和扩频技术相结合，即采用多载波扩频通信系统来实现数据传输。然而目前现有的多载波扩频通信系统的技术方案虽然具有较高的调制效率，达到令人满意的传输速率，但是正交频分多路复用的收信机构复杂，要求的协议亦复杂，构建的成本高昂，而且同时由于正交频分多路复用采用快速傅立叶变换来实现，其与载波间频率间隔固定且达到最小，如果由于发射机和接收机之间产生相对运动而引起多普勒效应以及时钟偏差而导致载波频率产生任何误差，载波频率会失去正交性而产生较大的载波间干扰，使通信系统的可靠性和适应性难以令人满意。为了在多载波扩频通信系统中，克服由于载波频率误差带来的性能下降的问题，开发载波频率误差的估算并作相应的补偿是必要的，但目前开发出的方法均具有较高的计算复杂度，难以在实时通信系统中真正实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，本发明提供一种多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿系统，该系统具有较高的适应性和低复杂程度。
本发明的另一目的在于，提供一种多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿系统，包括通信设备A、通信设备B与通信设备C，通信设备B通过多载波扩频调制解调器将待发送或接收到的数据进行处理发送至通信设备A和C或接收来自通信设备A和C的并经过多载波扩频调制解调器处理的数据。
所述通信设备A或通信设备C都包括一个信号发射装置和一个信号接收装置，
所述信号发射装置，用于将编码后的数据进行扩频调制，再将扩频的信号做满足正交条件的多载波调制并经无线信道发送至信号接收装置；
所述信号接收装置；用于对接收的信号依次做频率分离、误差估算和补偿，然后进行解扩和信号解调，最后获得解码数据。
所述信号发射装置包括依次连接的编码器、扩频调制单元和载波调制单元；
所述编码器，用于对数据进行编码；
所述扩频调制单元，用于将编码器编码后的数据进行扩频调制；
所述载波调制单元，用于将扩频的信号做满足正交条件的多载波调制并经无线信道发送至信号接收装置。
所述信信号接收装置由依次连接的载波频率分离器、载波频率误差估算和补偿、解扩单元和数据解调器、解码器；
所述载波分离器，用于对接收的各子载波做频率分离；
载波频率误差估算和补偿、解扩单元，用于对分离后的数据进行误差估算、补偿和解扩；
所述数据解调器，用于对数据进行信号解调；
所述解码器，用于解码并获得解码数据。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿系统的方法，
在信号发射装置中，执行下述步骤：
S1、由所述的扩频调制单元将编码器编码后的各信道码元数据做扩频处理；
S2、由所述的载波调制单元调整线频率间距、子载波间频率间距和子载波频率，并将扩频信号s(t)经无线信道发送至接收端；
在信号接收装置中，执行下述步骤：
S3、由所述的接收信号得到码元数据信号r(t)；
S4、所述的载波频率分离器进行快速傅立叶变换，将码片数据r(t)转换为频域信号，再按下式V）将各子载波进行频率分离，
式V）中，R(f)是r(t)的傅立叶变换值，Ri(f)↑N为第i个子载波信号作N次上采样的傅立叶变换值，Ri(f)↓N为为第i个子载波信号作N次下采样的傅立叶变换值；
S5、所述的载波频率误差估算和补偿将载波频率分离后的子载波信号在在频域上计算N个PN码信号的相位(每一个PN码信号均在相同的峰值位置的相位值),并利用得到的N-1个相位差的平均值来估算第i个子载波信号的载波频率误差εi，
S6、所述的解扩单元将分离后的经过载波频率误差估算和补偿的频域信号与各子载波的扩频伪随机二进制码元信号作自相关处理，
S7、所述的数据解调器对解扩后的信号按以下步骤做二进制相移键控解调，还原出所述信号发送装置所发送的数据；
S8、最后由所述的解码器再将还原后的数据解码传送给设备。
步骤S1中，扩频处理的具体步骤为：
S11）根据数据速率的大小和允许的信道带宽，将待发送数据分配到允许带宽的子载波上，且依据线频率间距和数据采样长度计算和设定子载波间频率间距，使子载波频率在频率域上表现为连续的由小到大的单个频率，获得频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据；
S12）将扩频码c(t)与频率正交且间距可变的各子载波二进制码元数据相乘，得到码元数据信号的中心频率相互正交的连续变化的调制信号；
S13）将调制信号的二进制码元按下式I）进行扩频处理并进行相加操作，从而得到扩频信号s(t)：
式I）中，di(t)为第i信道内t时刻的二进制码元数据，c(t)为扩频调制单元中带线性反馈的移位寄存器产生的值为+1或-1的t时刻扩频伪随机二进制码片（PN码），fci为第i信道内的子载波中心频率，Ai为第i信道的信号幅度，θ为该信道内信号的初始相位，为频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据。
步骤S2中，调整线频率间距、子载波间频率间距和子载波频率的具体公式如下：
线频率间距：
子载波间频率间距：
子载波频率：
式II）中，C为扩频伪随机二进制码片的码片速率，2n-1为该码片的码片长度，2n-1中n表示载波调制单元中的反馈移位寄存器的级数，△fl为扩频伪随机二进制码片的线频率间距，△f为各子载波间频率间距，N为子载波的数量，fc为中心信道子载波中心频率。
步骤S5中，估算第i个子载波信号的载波频率误差εi的具体公式如下：
式VI）中，是第i个子载波信号的载波频率误差εi的估算值，并要求选取的中心信道子载波中心频率fc，整数m，使为整数,其中这样获得的载波频率误差的估算值准确度（精度）较高，然后可以用如下的方法对接收到的有载波频率误差εi的第i个子载波信号进行载波频率误差补偿，其公式如下：
自相关处理采用如下公式：
ri(t)=F-1[Ri(f)Si(f)] VII）
式VII）中，ri(t)是获得的第i个子载波信号，F-1是傅立叶变换的逆变换,Ri(f)是收到的经过频率分离和载波频率误差估算和补偿的第i个子载波信号的傅立叶变换值，Si(f)是第i个子载波扩频伪随机二进制码元信号si(t)的傅立叶变换值；
然后，采用快速傅立叶逆变换将自相关处理后的频域信号采用下式VIII）转换为复数形式的时域信号，再进行离散化，
式VIII）中，a0cos(φ)是信号的实部，a0sin(φ)是虚部，na (i)表示多路径衰落信道的作用于实部的影响，它包括噪声和加在第i个子载波上的频率误差的影响，nj (i)表示作用于虚部的影响，t为连续的时域变量，k为与t对应的时域离散变量；因此通过可调子载波间频率间距的多载波扩频调制和载波频率误差估算和补偿可以有效地进一步减弱na (i)和nj (i)的影响，实现稳定的通信。
步骤S7的具体方法为：
（1）计算第i个子载波上的时域信号ri(t)的峰值点的相位；
（2）得到N个PN码信号的相位值，并计算各相位值的相位差；
（3）设定一阈值判定相位差值是0或是π；
（4）计算第i个子载波上的X个数据符号值+1或-1,即还原二进制码元数据；
（5）获得全部的数据码元。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1）本发明所述方法先按公式将子载波间频率间距调大，大大降低了多路径衰落和载波频率误差的影响，使通信的稳定性显著提高。
2）由于采用二进制相移键控(BPSK)作为载波调制方式,并且根据信号发射装置待发送的数据速率和无线信道的带宽确定子载波的数量使得子载波间频率正交,从而可以使用简单的频分多址（FDMA）技术来实现N个子载波信号的多址接入。又由于仅使用唯一的一个扩频码，并且接收端的解扩过程是一种基于FFT(快速傅立叶变换)的自相关处理，其计算的复杂度大大降低。
3）由于本发明提供的系统按如下的方法对载波频率误差进行估算和补偿,由进行载波频率误差估算和进行载波频率误差补偿,大大降低了载波频率误差的影响，更加提高了系统的稳定性。
4）由于子载波数量取决于信号接收装置的采样长度，使得各子载波间的频率正交且频率间隔可调，因此系统可以轻易地根据使用环境和可靠程度需求改变数据率的高低，从而实现系统稳定性和传输速率的动态平衡、充分利用带宽资源。
5）由于系统采用简单的扩频码、快速傅立叶变换（FFT）及二进制相移键控（BPSK）调制等简单成熟的技术即可完成对系统的传输控制，大大降低了系统的构建成本。
附图说明
图1为本发明所述的一种多载波扩频无线通信系统的一个具体实施例的拓扑结构示意图。
图2为本发明所述通信设备的一个具体实施例的结构框图。
图3（a）为本发明所述信号发射装置的通信流程图。
图3（b）和信号接收装置的通信流程图。
图4为本发明所述子载波的中心频率分布示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
参见图1，本例所示无线通信系统由通信设备A、通信设备B与通信设备C组成，在该系统中，通信设备B可通过多载波扩频调制解调器将待发送或接收到的数据进行处理发送至通信设备A和C或接收来自通信设备A和C的并经过多载波扩频调制解调器处理的数据。
以下将通信设备B中发送8个信道的通信数据至通信设备A和C的多载波扩频无线通信处理过程做详细描述：
参见图2，通信设备A或通信设备C都包括一个信号发射装置和一个信号接收装置，其中，
所述的信号发射装置由依次连接的编码器、扩频调制单元和载波调制单元组成，所述的信信号接收装置由依次连接的载波频率分离器、载波频率误差估算和补偿、解扩单元和数据解调器、解码器组成。
参见图3（a）和图3（b），本实施例中取N=8（Ｎ取其它的数值同样适用于本发明的技术方案），即通信设备B中发送8个信道的通信数据至通信设备A和C的多载波扩频无线通信控制流程如下：
在信号发射装置中，首先，由所述的扩频调制单元将编码器编码后的各信道码元数据做扩频处理，步骤如下：
a）根据数据速率的大小和允许的信道带宽，将待发送数据分配到允许带宽的8个子载波上，且依据线频率间距和数据采样长度计算和设定子载波间频率间距，使子载波频率在频率域上表现为连续的由小到大的单个频率，获得频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据；
b）将扩频码c(t)与频率正交且间距可变的各子载波二进制码元数据相乘，得到码元数据信号的中心频率相互正交的连续变化的调制信号；
c）将调制信号的二进制码元按下式I）进行扩频处理并进行相加操作，从而得到扩频信号s(t)：
式I）中，di(t)为第i信道内t时刻的二进制码元数据，c(t)为扩频调制单元中带线性反馈的移位寄存器产生的值为+1或-1的t时刻扩频伪随机二进制码片（PN码），fci为第i信道内的子载波中心频率，Ai为第i信道的信号幅度，θ为该信道内信号的初始相位，为频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据；
然后，由所述的载波调制单元按下式II）调整线频率间距、子载波间频率间距和子载波频率，并将扩频信号s(t)经无线信道发送至接收端：
线频率间距：
子载波间频率间距：
子载波频率：
式II）中，C为扩频伪随机二进制码片的码片速率，2n-1为该码片的码片长度，2n-1中n表示载波调制单元中的反馈移位寄存器的级数，△fl为扩频伪随机二进制码片的线频率间距，△f为各子载波间频率间距，N为子载波的数量，fc为中心信道子载波中心频率，在本实施例中扩频伪随机二进制码片（PN码）的码片速率C为1MHz，码片长度为29-1=511，设定子载波间频率间距调整参数m为72，这样可得扩频伪随机二进制码片的线频率间距△fl和各子载波间频率间距△f分别为：
令fc为1000KHz，则各调制后的子载波的中心频率如图4所示，分别为：
947.2KHz，964.8KHz，982.4KHz，1000KHz，1017.6KHz，1035.2KHz，1052.8KHz，1070.4KHz。
同时满足载波频率误差估算的要求，即为整数。
在信号接收装置中，首先，
1)由所述的接收信号得到码元数据信号r(t)：
式Ⅲ）中，D(t)为直接信号，R(t)为反射信号，n(t)为噪声，Td为传播延迟，φ0为子载波相位，α为反射信号相较于直接信号的相对传播损耗，其中0<α≤1，△Td为相对传播延迟，△φ0为相对相位差；
然后，采用下式IV）将r(t)变换成复数形式，
式IV）中，h(t)为接收信道的脉冲响应，y(t)为发射信号，τ为时延，φi(t)为相位，*是卷积标志，Np为发射信号y(t)的数量；
2）所述的载波频率分离器先对式IV）进行快速傅立叶变换，将码片数据r(t)转换为频域信号，再按下式V）将各子载波进行频率分离，
式V）中，R(f)是r(t)的傅立叶变换值，Ri(f)↑N为第i个子载波信号作N次上采样的傅立叶变换值，Ri(f)↓N为为第i个子载波信号作N次下采样的傅立叶变换值；
3）所述的载波频率误差估算和补偿将载波频率分离后的子载波信号在在频域上计算N个PN码信号的相位(每一个PN码信号均在相同的峰值位置的相位值),并利用得到的N-1个相位差的平均值来估算第i个子载波信号的载波频率误差εi，
VI）
式VI）中，是第i个子载波信号的载波频率误差εi的估算值，并要求选取的中心信道子载波中心频率fc，整数m，使为整数,其中这样获得的载波频率误差的估算值准确度（精度）较高，然后可以用如下的方法对接收到的有载波频率误差εi的第i个子载波信号进行载波频率误差补偿，
4）所述的解扩单元将分离后的经过载波频率误差估算和补偿的频域信号与各子载波的扩频伪随机二进制码元信号按下式VIII）作自相关处理，
ri(t)=F-1[Ri(f)Si(f)] VII）
式VII）中，ri(t)是获得的第i个子载波信号，F-1是傅立叶变换的逆变换,Ri(f)是收到的经过频率分离和载波频率误差估算和补偿的第i个子载波信号的傅立叶变换值，Si(f)是第i个子载波扩频伪随机二进制码元信号si(t)的傅立叶变换值；
然后，采用快速傅立叶逆变换将自相关处理后的频域信号采用下式VIII）转换为复数形式的时域信号，再进行离散化，
式VIII）中，a0cos(φ)是信号的实部，a0sin(φ)是虚部，na (i)表示多路径衰落信道的作用于实部的影响，它包括噪声和加在第i个子载波上的频率误差的影响，nj (i)表示作用于虚部的影响，t为连续的时域变量，k为与t对应的时域离散变量；因此通过可调子载波间频率间距的多载波扩频调制和载波频率误差估算和补偿可以有效地进一步减弱na (i)和nj (i)的影响，实现稳定的通信；
所述的数据解调器对解扩后的信号按以下步骤做二进制相移键控解调，还原出所述信号发送装置所发送的数据：
（1）计算第i个子载波上的时域信号ri(t)的峰值点的相位；
（2）得到N个PN码信号的相位值，并计算各相位值的相位差；
（3）设定一阈值判定相位差值是0或是π；
（4）计算第i个子载波上的X个数据符号值+1或-1,即还原二进制码元数据；
（5）获得全部的数据码元。
最后由所述的解码器再将还原后的数据解码传送给设备。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法，其特征在于，
该方法基于如下系统：系统包括通信设备A、通信设备B与通信设备C，通信设备B通过多载波扩频调制解调器将待发送或接收到的数据进行处理发送至通信设备A和C或接收来自通信设备A和C的并经过多载波扩频调制解调器处理的数据；
所述通信设备A或通信设备C都包括一个信号发射装置和一个信号接收装置；所述信号接收装置用于对接收的信号做载波频率误差估算和补偿；
在信号发射装置中，执行下述步骤：
S1、由信号发射装置中的扩频调制单元将编码器编码后的各信道码元数据做扩频处理；
S2、由信号发射装置中载波调制单元调整线频率间距、子载波间频率间距和子载波频率，并将扩频信号s(t)经无线信道发送至接收端；
在信号接收装置中，执行下述步骤：
S3、由信号接收装置中的接收信号得到码元数据信号r(t)；
S4、信号接收装置中的载波频率分离器进行快速傅立叶变换，将码片数据r(t)转换为频域信号，再按下式V)将各子载波进行频率分离，
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式V)中，R(f)是r(t)的傅立叶变换值，Ri(f)↑N为第i个子载波信号作N次上采样的傅立叶变换值，Ri(f)↓N为第i个子载波信号作N次下采样的傅立叶变换值；
S5、所述的载波频率误差估算和补偿将载波频率分离后的子载波信号在频域上计算N个PN码信号的相位，每一个PN码信号均在相同的峰值位置的相位值,并利用得到的N-1个相位差的平均值来估算第i个子载波信号的载波频率误差εi；
估算第i个子载波信号的载波频率误差εi的具体公式如下：
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式VI)中，是第i个子载波信号的载波频率误差εi的估算值，并要求选取的中心信道子载波中心频率fc，整数m，使为整数,其中这样获得的载波频率误差的估算值准确度(精度)较高，然后可以用如下的方法对接收到的有载波频率误差εi的第i个子载波信号进行载波频率误差补偿，其公式如下：
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S6、信号接收装置中的解扩单元将分离后的经过载波频率误差估算和补偿的频域信号与各子载波的扩频伪随机二进制码元信号作自相关处理；
S7、所述的数据解调器对解扩后的信号按以下步骤做二进制相移键控解调，还原出所述信号发送装置所发送的数据；
S8、最后由解码器再将还原后的数据解码传送给设备。
2.根据权利要求1所述的多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法，其特征在于，步骤S1中，扩频处理的具体步骤为：
S11)根据数据速率的大小和允许的信道带宽，将待发送数据分配到允许带宽的子载波上，且依据线频率间距和数据采样长度计算和设定子载波间频率间距，使子载波频率在频率域上表现为连续的由小到大的单个频率，获得频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据；
S12)将扩频码c(t)与频率正交且间距可变的各子载波二进制码元数据相乘，得到码元数据信号的中心频率相互正交的连续变化的调制信号；
S13)将调制信号的二进制码元按下式I)进行扩频处理并进行相加操作，从而得到扩频信号s(t)：
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式I)中，di(t)为第i信道内t时刻的二进制码元数据，c(t)为扩频调制单元中带线性反馈的移位寄存器产生的值为+1或-1的t时刻扩频伪随机二进制码片(PN码)，fci为第i信道内的子载波中心频率，Ai为第i信道的信号幅度，θ为该信道内信号的初始相位，为频率正交且间距可变的子载波二进制码元数据。
3.根据权利要求1所述的多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法，其特征在于，步骤S2中，调整线频率间距、子载波间频率间距和子载波频率的具体公式如下：
式II)中，C为扩频伪随机二进制码片的码片速率，2n-1为该码片的码片长度，2n-1中n表示载波调制单元中的反馈移位寄存器的级数，Δfl为扩频伪随机二进制码片的线频率间距，Δf为各子载波间频率间距，N为子载波的数量，fc为中心信道子载波中心频率。
4.根据权利要求1所述的多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法，其特征在于，自相关处理采用如下公式：
ri(t)＝F-1[Ri(f)Si(f)] VII)
式VII)中，ri(t)是获得的第i个子载波信号，F-1是傅立叶变换的逆变换,Ri(f)是收到的经过频率分离和载波频率误差估算和补偿的第i个子载波信号的傅立叶变换值，Si(f)是第i个子载波扩频伪随机二进制码元信号si(t)的傅立叶变换值；
然后，采用快速傅立叶逆变换将自相关处理后的频域信号采用下式VIII)转换为复数形式的时域信号，再进行离散化，
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式VIII)中，a0cos(φ)是信号的实部，a0sin(φ)是虚部，na (i)表示多路径衰落信道的作用于实部的影响，它包括噪声和加在第i个子载波上的频率误差的影响，nj (i)表示作用于虚部的影响，t为连续的时域变量，k为与t对应的时域离散变量；因此通过可调子载波间频率间距的多载波扩频调制和载波频率误差估算和补偿可以有效地进一步减弱na (i)和nj (i)的影响，实现稳定的通信。
5.根据权利要求1所述的多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法，其特征在于，步骤S7的具体方法为：
(1)计算第i个子载波上的时域信号ri(t)的峰值点的相位；
(2)得到N个PN码信号的相位值，并计算各相位值的相位差；
(3)设定一阈值判定相位差值是0或是π；
(4)计算第i个子载波上的X个数据符号值+1或-1,即还原二进制码元数据；
(5)获得全部的数据码元。
6.用于实现权利要求1-5任一项所述多载波扩频通信的载波频率误差估算和补偿方法的系统，其特征在于，包括通信设备A、通信设备B与通信设备C，通信设备B通过多载波扩频调制解调器将待发送或接收到的数据进行处理发送至通信设备A和C或接收来自通信设备A和C的并经过多载波扩频调制解调器处理的数据；
所述通信设备A或通信设备C都包括一个信号发射装置和一个信号接收装置；所述信号接收装置用于对接收的信号做载波频率误差估算和补偿，步骤是：
将载波频率分离后的子载波信号在频域上计算N个PN码信号的相位，每一个PN码信号均在相同的峰值位置的相位值,并利用得到的N-1个相位差的平均值来估算第i个子载波信号的载波频率误差εi。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述信号发射装置，用于将编码后的数据进行扩频调制，再将扩频的信号做满足正交条件的多载波调制并经无线信道发送至信号接收装置；
所述信号接收装置，用于对接收的信号依次做载波频率分离、载波频率误差估算和补偿，然后进行解扩和信号解调，最后获得解码数据。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信号发射装置包括依次连接的编码器、扩频调制单元和载波调制单元；
所述编码器，用于对数据进行编码；
所述扩频调制单元，用于将编码器编码后的数据进行扩频调制；
所述载波调制单元，用于将扩频的信号做满足正交条件的多载波调制并经无线信道发送至信号接收装置。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信号接收装置由依次连接的载波频率分离器、载波频率误差估算和补偿、解扩单元和数据解调器、解码器；
所述载波频率分离器，用于对接收的各子载波做频率分离；
载波频率误差估算和补偿、解扩单元，用于对分离后的数据进行误差估算、补偿和解扩；
所述数据解调器，用于对数据进行信号解调；
所述解码器，用于解码并获得解码数据。
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